Исследование плазмы быстрых Z-пинчей и горячих точек

• Автор: Афонин, Василий Иванович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Снежинск
• Количество страниц: 162 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Оценки параметров плазмы быстрого Ъ- пинча
1.1. Электровзрыв проводников
1.2. Критический ток квазиравновесия
1.3. Оценки параметров плазмы при электровзрыве проводников
1.4. Начальная стадия электровзрыва алюминиевой проволочки
1.5. Параметры квазиравновесия короны пинча
1.6. Колебания плазменной оболочки
Глава 2. Формирование и развитие перетяжек
2.1. Ионизационно-тепловая неустойчивость
2.2. Формирование начальных возмущений
2.3. Генерация вихревых электрических полей
2.4. Оценка параметров горячих точек
2.5. Спонтанные магнитные поля и аксиальное движение горячих точек 76 Глава 3. Оценки параметров рентгеновских лазеров на ионах С VI
3.1. Кинетика активной среды лазера с резонансной фотонакачкой
3.2. Рекомбинационной лазер в капиллярном разряде
3.2.1. Кинетика активной среды лазера
3.2.2. Охлаждение плазмы и рекомбинация ионов
3.2.3. Пинчевание плазмы
Глава 4. Исследование плазмы пинчей на установке СИГНАЛ
4.1. Диагностический комплекс установки
4.2. Исследование динамики г-пинчей
4.3. Горячие точки
4.4. Исследование динамики горячих точек
4.5. Зарождение и развитие МГД неустойчивости
Глава 5. Исследование электровзрыва составной нагрузки
5.1. О возможности фиксации горячей точки в плазме пинча
5.2. Электровзрыв нагрузки при двухпиковом импульсе тока
5.3. Электровзрыв нагрузки при однопиковом импульсе тока
5.4. Расчет влияния скорости нарастания тока на параметры плазмы
Заключение
Список работ автора, вошедших в диссертацию
Список литературы

Введение
1. Общая характеристика работы
Актуальность темы. Физика плазмы быстрого 7.- пинча, т.е. плазмы, образующейся в межэлектродном промежутке сильноточного ускорителя при электровзрыве тонких проволочек, диэлектрических нитей или газовых струй под действием мощного импульса тока, является одной из динамично развивающихся областей современной физики.
Актуальность быстрых Z- пинчей связана с перспективами создания мощных источников мягкого рентгеновского излучения, в т.ч. лазерных, с широким диапазоном применений в науке и технике: от рентгенолитографии и биологии до исследования уравнений состояния веществ при экстремальных параметрах и инерционного термоядерного синтеза.
Для развития этих направлений реализуется ряд проектов экспериментальных исследований, которые требуют соответствующих теоретических разработок. Наряду с этим, горячая плотная плазма представляет и существенный научный интерес, поскольку несмотря на огромное число работ в этой области, плазма с параметрами, характерными для быстрых г-пинчей, остается пока еще слабо изученной. Исследования последних лет выявляют ряд все новых черт и явлений в процессе создания и линчевания плазмы в разряде сильноточного генератора тока, начиная от фазы собственно взрыва нагрузки генератора и кончая образованием одного из самым интересных объектов пинчей - “горячих точек", характеризуемых экстремально высокими значениями плотности и температуры плазмы.
Таким образом, актуальность работы определяется как научным интересом, вызываемым слабо изученной плазмой быстрых Т- пинчей, так и необходимостью теоретических разработок, сопровождающих создание на ее основе мощных источников мягкого рентгеновского излучения.
Цели и задачи исследования. В диссертации представлена совокупность представлений, моделей и аналитических оценок, нацеленных на описание и предсказание закономерностей свойств плазмы быстрых г-пинчей и горячих точек. Практически все результаты и выводы теоретического исследования сверялись с результатами экспериментов на отечественных и зарубежных установках, что повышает степень их достоверности.
Решались следующие основные задачи.
• Построение модели электровзрыва проводника и пинчевания плазмы.

• Исследование процессов формирования и развития неустойчивости в плазме короны.
• Исследование механизмов генерации вихревых электромагнитных полей в плазме пинчей.
• Исследование возможности создания “точечного“ источника рентгеновского излучения, в т.ч. лазерного, в плазме пинчей, исследование динамики и параметров горячих точек.
На защиту выносятся следующие основные положения, определяющие научную новизну результатов диссертации.
1. Модель электровзрыва тонкой проволочки и система оценок параметров плазмы Т- пинча.
2. Модель образования короны пинча.
3. Теория ионизационно-тепловой неустойчивости плазмы и ее роль в формировании и развитии крупномасштабной неустойчивости типа сосисочной.
4. Результаты исследования физических эффектов, сопровождающих схождение перетяжки к оси пинча.
5. Результаты исследования динамики и параметров горячих точек пинча.
6. Постановка экспериментальных исследований плазмы Ъ- пинчей и интерпретация полученных результатов на основе развитых в диссертации представлений.
7. Результаты исследования возможности создания “точечного“ источника рентгеновского излучения в плазме г-пинча.
Научная и практическая ценность. Развитые в диссертации теоретические представления и оценки находят применение как в объяснении ряда физических эффектов, протекающих в плазме быстрого Ъ- пинча, так и при постановке и интерпретации экспериментов по электровзрыву проводников в межэлектродном промежутке сильноточных ускорителей. Они могут быть использованы при совершенствовании программ численного моделирования Т-пинчей и при создании источника рентгеновского излучения, в т.ч. точечного, с необходимыми для научных и технологическх приложений пространственными и временными характеристиками.
Апробация результатов работы. Основные материалы диссертации опубликованы в печати в виде 26 отчетов и 3 препринтов РФЯЦ-ВНИИТФ, 11 статей и 10 докладов. Они излагались на различных международных конференциях: 5-ое Всесоюзное совещание по диагностике

моменту времени t»13 не формируется токовая оболочка с 5 » г » 80 мкм, Ts»2,34 эВ, Es»300 кВ/см, плотностью ионов п»9 Ю20 см'3, через которую течет ток »2,8 кА. При dE/dt=0,6-1013 В/см с к моменту времени t»32 не формируется токовая оболочка с §»г»120 мкм, Т3»1,6 эВ, Es »192 кВ/см, п »4,2 1020 см'3 с примерно тем же значением тока (2,8 кА). Таким образом, процесс взрыва проволочки и формирования токовой оболочки требует сравнительно (с шириной импульса напряжения) длительного промежутка времени и характеризуется медленным нарастанием тока, в связи с чем при рассмотрении этого процесса оправдано пренебрежение индуктивной составляющей напряжения LdJ/dt по сравнению с напряжением генератора.
Для второго диапазона значений скорости роста напряженности электрического поля аналогично устанавливается, что к то=1,48-3,04 не скинирования нет, как его нет и спустя 0,37-1,3 не, когда температура на внешней границе разлетающейся плазмы поднимается до 1,5 эВ, радиус разлета достигнет 25-48,6 мкм, плотность упадет до (0,96-0,25)Ю22 см'3, поле возрастет до 861-486 кВ/см. При такой температуре необходим, казалось бы, учет потерь энергии на ионизацию ионов, однако для алюминия второй потенциал ионизации составляет ~19 эВ, что позволяет распространить результаты рассмотрения на более высокие температуры, например на Т=3 эВ. Тогда легко оценить, что токовая оболочка с такой температурой будет сформирована к t=3,2-8,6 не на радиусе г=41-72 мкм с 5=38-39 мкм и плотностью ионов (0,36-0,11 )-1022 см'3. К этому моменту времени поле возрастет до 960-516 кВ/см. Таким образом, чем меньше скорость нарастания поля в диодном промежутке ускорителя, тем ярче выражен процесс формирования токовой оболочки. Следует заметить, что аналогичные оценки электровзрыва более толстых проволочек приводят к более поздним временам формирования токовой оболочки с большей ионной плотностью.
1.5. Параметры квазиравновесия короны пинча
С ростом времени при дальнейшем нагреве плазмы в толщине ее скин-слоя, т.е. при Т>1 и z>1, толщина скин-слоя продолжает уменьшаться /87/, радиус разлета плазмы увеличивается, а ее плотность монотонно падает. С нарастанием тока плазма скин-слоя тормозится магнитным полем. Параметры квазиравновесия плазмы с магнитным полем могут быть найдены в рамках